CN115952639A - 飞行器的最大起飞重量确定 - Google Patents

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Abstract

飞行器具有第一原理起飞处理器(PCE)、预测飞行包线保护处理器(PFEP)和最大起飞重量处理器。PCE被编程为预测飞行器在跑道上离地时的离地位置和能量状态。PFEP被编程为评估多个潜在轨迹中的每一个是符合还是违反预定飞行包线。最大重量处理器被编程为：当多个潜在轨迹中的任何一个符合预定飞行包线时，指示飞行器能够在飞行器重量下起飞；迭代地减少飞行器重量向PCE的输入，直到PCE指示多个潜在轨迹中的任何一个符合预定飞行包线；以及指示减少的飞行器重量的输入是最大允许起飞重量。

Description

飞行器的最大起飞重量确定
技术领域
本公开总体上涉及计算最大起飞重量的飞行器和飞行器系统。更具体地，本公开涉及针对单发动机起飞在各种重量下对定制替代离场程序进行建模，以及针对与飞行包线的符合性对定制替代离场程序进行测试。
背景技术
本节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
许多机场具有定义的横向和垂直离场路径，称为标准仪表离场(SID，StandardInstrument Departure)。即使在起飞后不太可能地发生发动机故障的情况下，飞行员也必须计划执行SID。然而，由于在发动机熄火情况下可用的爬升性能降低，飞行器可能无法满足SID要求的爬升梯度。
如果飞行器无法满足SID要求的爬升梯度，飞行员有两个选项。第一个选项是通过减少乘客数量、消除货物或减少机载燃料量来减少飞行器的重量。在大多数情况下，减少乘客或行李的数量不是一种选项。减少机载燃料量可能意味着行程无法安全飞行，或者可能导致需要在预期目的地之前执行一次或多次中间停靠以补充燃料。这些结果都不是期望的。
第二个选项是执行具有较低爬升梯度的备用离场程序。这些备用离场程序(也称为障碍物离场程序(ODP，Obstacle Departure Procedure)和特殊障碍物离场程序(SODP，Special Obstacle Departure Procedure))存在两个主要挑战。挑战一是ODP/SODP是由第3方公司利用不同方法和过程创建的，它们通常未经任何(模拟的)测试来验证或由任何最大复杂性限制来约束(意味着机组人员需要采取多个动作以保持在所需的飞行路径上)。第二个挑战是这些程序不包含在机载的飞行管理系统(FMS，Flight Management System)数据库中，因此飞行员必须在工作量非常大的时段期间参考纸质或电子版本以建立正确的飞行路径。航空公司飞行员可能已经练习过替代离场程序，但公务航空飞行员可能以前从未练习过ODP/SODP。
发明内容
本文描述的实施例描述了一种系统，该系统允许机组人员知道为了在发生发动机故障的情况下离开机场，他们可以在机上具有的最大燃料，以及机组人员以尽可能低的工作量执行单发动机离场的方式，以便他们可以安全地完成起飞和离场。
在第一非限制性实施例中，一种飞行器具有飞行器重量，并且包括第一原理起飞处理器、预测飞行包线保护处理器和最大起飞重量处理器。第一原理起飞处理器被编程和配置为：基于飞行器重量和环境条件，预测飞行器在跑道上离地时的离地位置和能量状态。预测飞行包线保护处理器被编程和配置为：从第一原理起飞处理器接收能量状态和离地位置；基于能量状态生成飞行器从离地位置开始的多个潜在轨迹；以及评估多个潜在轨迹中的每一个是符合还是违反预定飞行包线。最大起飞重量处理器被编程和配置为：响应于预测飞行包线保护处理器确定多个潜在轨迹中的任何一个符合预定飞行包线，指示飞行器能够在飞行器重量下起飞；响应于预测飞行包线保护处理器确定所有多个潜在轨迹都违反预定飞行包线，迭代地减少飞行器重量向第一原理起飞处理器的输入，迭代地减少直到预测飞行包线保护处理器指示多个潜在轨迹中的任何一个符合预定飞行包线；以及指示迭代减少的飞行器重量的输入是最大允许起飞重量。
在第二非限制性实施例中，一种用于具有飞行器重量的飞行器的飞行器起飞重量保护系统包括第一原理起飞处理器、预测飞行包线保护处理器和最大起飞重量处理器。第一原理起飞处理器被编程和配置为：基于飞行器重量和环境条件，预测飞行器在跑道上离地时的离地位置和能量状态。预测飞行包线保护处理器被编程和配置为：从第一原理起飞处理器接收能量状态和离地位置；基于能量状态生成飞行器从离地位置开始的多个潜在轨迹；以及评估多个潜在轨迹中的每一个是符合还是违反预定飞行包线。最大起飞重量处理器被编程和配置为：响应于预测飞行包线保护处理器确定多个潜在轨迹中的任何一个符合预定飞行包线，指示飞行器能够在飞行器重量下起飞；响应于预测飞行包线保护处理器确定所有多个潜在轨迹都违反预定飞行包线，迭代地减少飞行器重量向第一原理起飞处理器的输入，迭代地减少直到预测飞行包线保护处理器指示多个潜在轨迹中的任何一个符合预定飞行包线；以及指示迭代减少的飞行器重量的输入是最大允许起飞重量。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明所选实施例的目的，而不是所有可能的实现方式。附图的特定选择不旨在限制本公开的范围。
图1是根据一些实施例在起飞场景中的具有最大起飞重量处理器的飞行器的侧视图；以及
图2是说明根据一些实施例向图1的飞行器的飞行员报告最大起飞重量的方法的流程图。
具体实施方式
一般而言，本文描述的一些实施例描述了一种系统，其中处理器递归地交互，第一原理起飞引擎(first principles takeoff engine)或性能计算引擎(PCE，performancecalculation engine)基于在离场机场报告或预报的环境条件提供最大双发动机起飞重量。环境条件可以包括温度、风、跑道条件、压力高度和影响起飞性能的其他条件。在给定最大起飞重量的飞行器的情况下，可以执行预测飞行包线保护处理器，以查看在给定一组表示所需飞行器配置(重量，CG)的输入条件的情况下，飞行器是否可以在发生发动机故障的情况下避开所有地形和障碍物。如果不能，则预测飞行包线保护处理器可以递归地执行以找到需要最小爬升梯度的飞行路径，然后将该解决方案传递给PCE，以确定在起飞滑跑期间在(监管)定义的决策点发生发动机故障的情况下将带来地形和障碍物间隙的最大起飞重量。然后，PCE可以将新的输入条件返回到预测飞行包线保护处理器系统，并重新运行计算以验证或改进整体解决方案。这些操作可以迭代地运行，直到满足散度/稳定性标准并将结果呈现给机组人员。可以为机场上所有可用跑道确定这些解决方案，并向机组人员呈现所有选项。
参考图1，根据一些实施例在侧视图中示出了示例性飞行器起飞场景100。飞行器110具有控制处理器112。控制处理器112包括第一原理起飞处理器114、预测飞行包线保护处理器116和最大起飞重量处理器118。飞行器110在跑道120上位于起飞的起始位置。第一障碍物122位于跑道120的末端之后。第二障碍物124位于跑道120的末端之后并且从第一障碍物122横向偏移，如通过在障碍物122后面所示。
在飞行的任务规划部分直至刚好起飞前，在给定当前或预期的气象条件、基于风或跑道可用性的可用跑道、并且最后考虑到飞行器质量的情况下，飞行员将需要确定他们是否可以离开机场。根据任务持续时间，通常至关重要的是，飞行器可以使携带的燃料量最大化，同时仍容纳乘客和货物的数量。
控制处理器112使用报告或预报的气象来允许飞行员在滑行/起飞之前确定为了在发生发动机故障的情况下离开机场，他们可以在机上具有的最大燃料。在这种情况下，机场是否有公布的备用离场程序并不重要。例如，控制处理器112可以确定飞行器110将在决策点130达到V1速度，将在离地点132离地，将能够飞行路径134，并且将基于飞行器110的第一输入重量与第一障碍物136离开距离136。
如果距离136小于用于离开障碍物122的安全系数距离，则控制处理器112将使用第一原理起飞处理器114、预测飞行包线保护处理器116和最大起飞重量处理器118来重复地减少输入重量，并针对与飞行包线的符合性来测试减少的输入重量。例如，控制处理器112可以减少输入到第一原理起飞处理器114的重量，以计算新决策点140、新离地点142、新路径144以及路径144与第二障碍物124之间的新间隙146。在所提供的示例中，间隙146符合飞行包线，并且减少的重量作为最大允许起飞重量被指示给飞行员。
预测处理器116连续评估飞行器前方的多个逃生轨迹。广义上有两种类型的预测性干预。首先，如果飞行员超出指定的飞行包线限制，则预测处理器116将“轻推”他们回到正常的飞行包线，从而避免在飞行中可能失去控制。其次，如果飞行员正朝着地形飞行，则预测处理器116将干预并安全地操纵飞行器以在情况发展时避开地形，直到只剩下一个可能的逃生轨迹。预测处理器116系统使用复杂的控制规律、性能能力数据库以及如前所述的连续计算路径/轨迹以避开地形来实现这一点。预测处理器116系统包括高保真3维地面地图数据库和机载导航系统，以相对于地形确定运载工具位置和姿态。在一些实施例中，预测处理器116是在2019年8月27日提交的美国专利申请第16/552,629号中描述的预测飞行包线保护系统，该专利申请通过引用并入本文。
第一原理起飞处理器114是用于计算飞行器场地性能的第一原理计算引擎(PCE)。PCE使用第一原理计算方法来确定给定的一组环境条件、飞行器配置和飞行器质量所需的跑道长度(根据FAA规定)。PCE主要关注于降低机组人员在执行这些计算时的复杂性，同时提高准确性并减少不必要的保守性。在所提供的示例中，第一原理起飞处理器114是FAA咨询通告25.1581-1变更1中描述的系统。
现在参考图2，并继续参考图1，以流程图形式示出了向机组人员警告最大允许起飞重量的方法200。在所提供的示例中，方法200的任务由飞行器110的控制处理器112执行。
任务202接收输入。例如，机组成员可以将重量、平衡、飞行计划、机场和条件(例如，干燥、潮湿、污染)信息输入到控制处理器112中。控制处理器112可以接收来自飞行管理系统的输入，包括地理位置、飞行计划(例如，航路点、高度、所需燃料)和最大总重量(grossweight)信息。控制处理器112可以接收气象服务输入，诸如风、温度和压力信息。控制处理器112可以接收来自机场数据库的输入，诸如可用跑道、跑道尺寸和每个跑道的起飞起点的地理位置。
任务204验证PCE输入。例如，控制处理器112可以针对每个跑道验证跑道方向、风向和速度、环境约束和高程约束。任务206确定是否满足PCE约束。
当不满足PCE约束时，方法200从任务206进行到任务207。任务207向飞行员指示在所提供的输入的情况下不可能起飞。
当满足PCE约束时，方法200从任务206进行到任务208。任务208计算PCE输出。例如，第一原理起飞处理器114可以基于总重量、跑道尺寸、风、温度、压力和跑道条件的输入初始条件来计算所需的场地长度、到离地的距离、离地时的速度和离地时的爬升梯度。在一些实施例中，第一原理起飞处理器116基于决策点处的发动机损失来执行计算，从而表示如果飞行员不能在剩余跑道内停止并且在一个发动机不使用的情况下进行操作会发生什么。
任务210评估在起飞和爬升期间与飞行包线的符合性。例如，预测处理器116可以将由第一原理起飞处理器116计算的起飞点和能量状态作为计算预测的恢复飞行路径的初始条件。在所提供的示例中，预测处理器116使用离地速度Vr、离地纬度和经度、推力表、温度、压力、机场、高程、重量和重心信息的输入来计算预测的恢复飞行路径。预测处理器116使用高保真地形数据库、推力数据库和环境参数来确定任何潜在路径是否符合预定义的飞行包线。例如，预测处理器116可以确定飞越第二障碍物124的路径需要较低的爬升梯度并且可以符合飞行包线，即使当飞越具有较高所需爬升梯度的第一障碍物122的SID路径违反飞行包线时。
如本文所使用的，术语“符合预定飞行包线”是指预测的恢复飞行路径将沿着预测的恢复飞行路径与障碍物和地形离开预定安全间隙距离。在一些实施例中，预定飞行包线包括操作限制，诸如最大空速、最大爬升梯度和飞行器不应超过的其他限制。在具有操作限制的这些实施例中，当预测飞行器沿着相应的恢复飞行路径超过操作限制时，任务210将确定相应的预测恢复飞行路径违反预定飞行包线，而不管地形或障碍物间隙如何。
当任务212确定输入导致违反飞行包线时，方法200从任务212进行到任务214。任务214减少输入到PCE的输入重量，并进行到任务215。任务215确定由任务214减少的输入重量是否是允许的。例如，控制处理器112可以确定重量是否小于或等于零燃料重量加上安全裕度。当重量太低时，方法200进行到任务207。当重量允许时，方法200返回到任务208。
当任务212确定输入指示符合飞行包线时，方法200从任务212进行到任务216。任务216报告输入重量(可能已经在任务214中被减少)满足最大起飞重量。例如，如果方法200没有执行过任务214，则控制处理器112可以指示初始输入的重量在决策点发生发动机损失的情况下带来安全起飞。当控制处理器112执行了任务214时，可以将减少的重量作为最大起飞重量报告给飞行员。在一些实施例中，控制处理器112基于减少的输入重量来计算可以携带的燃料量。
尽管在前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现如本文设想的示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以对示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (20)

1.一种具有飞行器重量的飞行器，所述飞行器包括：
第一原理起飞处理器，其被编程和配置为：
基于所述飞行器重量和环境条件，预测所述飞行器在跑道上离地时的离地位置和能量状态；
预测飞行包线保护处理器，其被编程和配置为：
从所述第一原理起飞处理器接收所述能量状态和所述离地位置；
基于所述能量状态生成所述飞行器从所述离地位置开始的多个潜在轨迹；和
评估所述多个潜在轨迹中的每一个是符合还是违反预定飞行包线；以及
最大起飞重量处理器，其被编程和配置为：
响应于所述预测飞行包线保护处理器确定所述多个潜在轨迹中的任何一个符合所述预定飞行包线，指示所述飞行器能够在所述飞行器重量下起飞；
响应于所述预测飞行包线保护处理器确定所有所述多个潜在轨迹都违反所述预定飞行包线，迭代地减少所述飞行器重量向所述第一原理起飞处理器的输入，迭代地减少直到所述预测飞行包线保护处理器指示所述多个潜在轨迹中的任何一个符合所述预定飞行包线；和
指示迭代减少的所述飞行器重量的所述输入是最大允许起飞重量。
2.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述第一原理起飞处理器还被编程和配置为进一步基于在决策点处的发动机损失，预测所述飞行器在所述离地时的所述离地位置和所述能量状态，在所述决策点之后，所述飞行器可能无法在剩余跑道长度内停止。
3.根据权利要求2所述的飞行器，其中所述预测飞行包线保护处理器还被编程和配置为进一步基于所述飞行器在所述发动机损失的情况下的操作，生成所述多个潜在轨迹。
4.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述飞行器重量的初始值是所述飞行器的最大总重量。
5.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述飞行器重量的初始值是所述飞行器的测量重量和估计重量之一。
6.根据权利要求5所述的飞行器，其中所述最大起飞重量处理器还被编程和配置为响应于所述预测飞行包线保护处理器确定在所述初始值下所有所述多个潜在轨迹都违反所述预定飞行包线，向机组人员警告所述飞行器重量的所述初始值超过所述最大允许起飞重量。
7.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述最大起飞重量处理器还被编程和配置为基于所述最大允许起飞重量，向机组人员警告能够携带的最大燃料量。
8.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述最大起飞重量处理器还被编程和配置为响应于确定所述最大允许起飞重量小于或等于零燃料重量加上安全裕度，向机组人员警告起飞是不可能的。
9.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述第一原理起飞处理器还被编程和配置为进一步基于重量平衡、机场和飞行计划，预测所述飞行器的所述离地位置和所述能量状态。
10.根据权利要求9所述的飞行器，其中所述第一原理起飞处理器还被编程和配置为进一步基于从飞行管理系统接收到的地理位置、航路点、高度、所需燃料和最大总重量，预测所述飞行器的所述离地位置和所述能量状态。
11.根据权利要求10所述的飞行器，其中所述第一原理起飞处理器还被编程和配置为进一步基于从气象服务接收到的风、温度和压力，预测所述飞行器的所述离地位置和所述能量状态。
12.根据权利要求11所述的飞行器，其中所述第一原理起飞处理器还被编程和配置为进一步基于从机场数据库接收到的可用跑道、跑道尺寸和在每个跑道上起飞的起点，预测所述飞行器的所述离地位置和所述能量状态。
13.一种用于具有飞行器重量的飞行器的飞行器起飞重量保护系统，所述飞行器起飞重量保护系统包括：
第一原理起飞处理器，其被编程和配置为：
基于所述飞行器重量和环境条件，预测所述飞行器在跑道上离地时的离地位置和能量状态；
预测飞行包线保护处理器，其被编程和配置为：
从所述第一原理起飞处理器接收所述能量状态和所述离地位置；
基于所述能量状态生成所述飞行器从所述离地位置开始的多个潜在轨迹；和
评估所述多个潜在轨迹中的每一个是符合还是违反预定飞行包线；以及
最大起飞重量处理器，其被编程和配置为：
响应于所述预测飞行包线保护处理器确定所述多个潜在轨迹中的任何一个符合所述预定飞行包线，指示所述飞行器能够在所述飞行器重量下起飞；
响应于所述预测飞行包线保护处理器确定所有所述多个潜在轨迹都违反所述预定飞行包线，迭代地减少所述飞行器重量向所述第一原理起飞处理器的输入，迭代地减少直到所述预测飞行包线保护处理器指示所述多个潜在轨迹中的任何一个符合所述预定飞行包线；和
指示迭代减少的所述飞行器重量的所述输入是最大允许起飞重量。
14.根据权利要求13所述的飞行器起飞重量保护系统，其中所述第一原理起飞处理器还被编程和配置为进一步基于在决策点处的发动机损失，预测所述飞行器在所述离地时的所述离地位置和所述能量状态，在所述决策点之后，所述飞行器可能无法在剩余跑道长度内停止。
15.根据权利要求14所述的飞行器起飞重量保护系统，其中所述预测飞行包线保护处理器还被编程和配置为进一步基于所述飞行器在所述发动机损失的情况下的操作，生成所述多个潜在轨迹。
16.根据权利要求13所述的飞行器起飞重量保护系统，其中所述飞行器重量的初始值是所述飞行器的最大总重量。
17.根据权利要求13所述的飞行器起飞重量保护系统，其中所述飞行器重量的初始值是所述飞行器的测量重量和估计重量之一。
18.根据权利要求17所述的飞行器起飞重量保护系统，其中所述最大起飞重量处理器还被编程和配置为响应于所述预测飞行包线保护处理器确定在所述初始值下所有所述多个潜在轨迹都违反所述预定飞行包线，向机组人员警告所述飞行器重量的所述初始值超过所述最大允许起飞重量。
19.根据权利要求13所述的飞行器起飞重量保护系统，其中所述最大起飞重量处理器还被编程和配置为基于所述最大允许起飞重量，向机组人员警告能够携带的最大燃料量。
20.根据权利要求13所述的飞行器起飞重量保护系统，其中所述最大起飞重量处理器还被编程和配置为响应于确定所述最大允许起飞重量小于或等于零燃料重量加上安全裕度，向机组人员警告起飞是不可能的。
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